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        P波速度對接收函數(shù)H-k搜索疊加結(jié)果的影響分析*

        2014-08-02 03:55:04李翠芹沈旭章秦滿忠
        地震學(xué)報 2014年3期
        關(guān)鍵詞:影響方法模型

        李翠芹 沈旭章 秦滿忠

        1) 中國蘭州730000中國地震局蘭州地震研究所 2) 中國蘭州730000中國地震局地震預(yù)測研究所蘭州科技創(chuàng)新基地

        P波速度對接收函數(shù)H-k搜索疊加結(jié)果的影響分析*

        1) 中國蘭州730000中國地震局蘭州地震研究所 2) 中國蘭州730000中國地震局地震預(yù)測研究所蘭州科技創(chuàng)新基地

        從公式推導(dǎo)、 不同模型數(shù)值試驗和實際資料處理等3個方面,系統(tǒng)研究了P波速度vP對接收函數(shù)H(地殼厚度)-k(波速比)疊加搜索結(jié)果的影響. 結(jié)果表明,vP的變化與H正相關(guān),與k負相關(guān); 且地殼模型越復(fù)雜,vP對H的影響越大.

        P波速度H-k搜索疊加 接收函數(shù)

        引言

        遠震P波接收函數(shù)是用遠震P波波形的垂直分量對徑向分量和切向分量作反褶積后得到的時間序列,由于它在很大程度上消除了震源時間函數(shù)和傳播路徑的影響,可以近似地認為代表了臺站下方殼幔結(jié)構(gòu)的響應(yīng).接收函數(shù)方法自1979年由Langston(1979)提出以后,不斷地得到發(fā)展和完善.為利用接收函數(shù)資料確定地震臺站下方的地殼厚度H和波速比k,Zhu和Kanamori(2000)提出了一種通過疊加不同震中距單臺多震接收函數(shù)的一次轉(zhuǎn)換波和多次波來約束地殼厚度H和平均波速比k的方法, 即H-k搜索疊加方法.該方法因可以快速處理大量的數(shù)據(jù)而被廣泛應(yīng)用于地殼和上地幔結(jié)構(gòu)研究,現(xiàn)已成為天然地震波資料處理的一種常規(guī)手段.

        遠震P波接收函數(shù)主要由直達波、 臺站下方速度界面產(chǎn)生的P--S轉(zhuǎn)換波及不同速度界面之間的多次反射波等震相組成. 接收函數(shù)H-k方法正是利用徑向接收函數(shù)的Ps, PpPs及PpSs+PsPs震相與直達P波的到時信息共同約束Moho間斷面深度與地殼平均波速比.自接收函數(shù)方法提出以來,前人已經(jīng)運用該方法在不同區(qū)域進行了大量的研究工作(Rameshetal, 2002, 2005; 李永華等,2006; Tomlinsonetal, 2006; 王峻等,2009; 葛粲等,2011; 黃海波等,2011; 劉瓊林等,2011; 劉文學(xué)等,2011; Pan,Niu,2011; 郭震等,2012). 這些研究基本上都是采用給定P波速度vP計算研究區(qū)的地殼厚度和波速比.此外,針對H-k方法本身的研究,也一直備受關(guān)注. 例如,傾斜界面對H-k搜索結(jié)果的影響(Lombardietal, 2007; Wangetal, 2010),各向異性地層對H-k搜索結(jié)果的影響(查小惠等,2013)等. 運用H-k方法時,當(dāng)?shù)貧さ钠骄鵓波速度改變時,所估算的地殼厚度和波速比會發(fā)生相應(yīng)的改變.為了減小vP對H-k方法結(jié)果的影響,Ma和Zhou(2007)聯(lián)合接收函數(shù)與面波頻散曲線,通過選擇不同的vP,使接收函數(shù)與面波頻散結(jié)果盡量一致,從而確定一個合理的vP,進而確定地殼厚度和波速比; 沈旭章等(2011)將該方法運用于龍門山斷裂帶下方地殼速度結(jié)構(gòu)的研究.但前人并未系統(tǒng)分析vP對接收函數(shù)H-k方法的影響.基于此,本文通過理論計算、 數(shù)值模擬和實際資料處理,系統(tǒng)分析了vP的變化對H-k搜索結(jié)果的影響.

        1 原理

        接收函數(shù)H-k方法中涉及到震相的射線路徑和各震相到時,如圖1所示.為了定量分析vP的變化對H-k搜索結(jié)果的影響,在此引入下面公式(Yangetal, 2011):

        圖1 單層模型中Ps, PpPs, PpSs+PsPs震相射線路徑(左)及接收函數(shù)(右)示意圖

        (1)

        (2)

        式中,p為射線參數(shù),H為地殼厚度,k為波速比;vP和vS分別為P波、 S波速度;tP,tPs,tPpPs和tPsPs分別表示初至P, Ps, PpPs和PsPs震相到時.

        為了分析vP對地殼厚度H和波速比k的影響,式(1)、 (2)的兩邊分別對vP求偏導(dǎo):

        (3)

        (4)

        式中ΔH和Δk分別是H和k對ΔvP的偏增量. 例如,選取vP=6.1 km/s、k=1.73、H=30 km時,根據(jù)式(3)和式(4)可以得到

        (5)

        (6)

        式(5)和式(6)表明,當(dāng)vP偏離真實值0.1 km/s時,所確定的地殼厚度結(jié)果會偏離約0.57 km,而波速比結(jié)果會偏離約0.003. 公式推導(dǎo)總體上表明,vP的變化與H的結(jié)果正相關(guān),而與k的結(jié)果負相關(guān).

        2 數(shù)值試驗

        vP的變化會對接收函數(shù)波形特別是震相到時產(chǎn)生影響,從而影響H-k疊加搜索結(jié)果. 為了直觀地顯示vP對H-k方法結(jié)果的影響,本文計算不同模型的理論接收函數(shù),然后對其理論接收函數(shù)分別進行H-k疊加搜索. 通過比較不同vP的搜索結(jié)果與真實值之間的差別,研究vP對H-k搜索結(jié)果的影響.本文選擇了3種地殼模型,即單層模型、 雙層模型及存在低速梯度帶的雙層模型(圖2),分別討論vP對H-k搜索結(jié)果的影響. 每組地殼模型vP以實際值為中心,前后以0.05 km/s為間隔進行20次試驗,以考察vP的變化對H-k疊加搜索結(jié)果的影響.

        圖2 數(shù)值試驗的理論地殼模型 (a) 單層模型; (b) 雙層模型; (c) 含梯度帶的雙層模型

        對每一個模型使用反射率法(Aki,Richards, 2002)計算震中距30°—90°內(nèi),共61個不同震中距徑向分量的理論接收函數(shù),采樣間隔為0.05 s, 并用高斯因子為2.5的濾波器進行濾波; 然后改變vP的大小,進行H-k搜索.通過比較搜索結(jié)果與真實值間的差別,分析vP對H-k搜索結(jié)果的影響.

        第一組模型為單層模型(圖2a),其下層是無限半空間,地殼厚度30 km,選取vP值為6.10 km/s; 第二組模型為雙層模型(圖2b),在20 km處存在一個殼內(nèi)間斷面,地殼厚度為35 km,地殼以下為無限半空間,殼內(nèi)平均速度為6.15 km/s; 第三組模型(圖2c)為在殼內(nèi)20—30 km深處存在一個厚度為10 km的低速梯度帶,殼內(nèi)平均P波速度為6.25 km/s,地殼厚度為35 km,地殼以下為無限半空間. 3組模型中波速比k均為1.73.

        由第一組單層模型(模型1)計算得到的理論接收函數(shù)和H-k搜索結(jié)果分別如圖3a,b所示. 圖3c,d為改變vP輸入,運用接收函數(shù)H-k搜索得到的結(jié)果. 其中,圖3c為輸入vP值比預(yù)設(shè)vP值小0.3 km/s時H-k的搜索結(jié)果, 圖3d為輸入vP值比預(yù)設(shè)vP值大0.3 km/s時H-k的搜索結(jié)果. 圖3e,f分別為地殼厚度H和波速比k隨vP的變化. 通過對比vP改變時走時曲線的變化發(fā)現(xiàn),隨著vP增大,Ps轉(zhuǎn)換震相的到時變化很小,而PpPs震相的到時則明顯變大,隨著vP減小,Ps轉(zhuǎn)換震相的到時同樣變化很小,而PpPs震相的到時則明顯變小. 根據(jù)式(1)和式(3)可知,vP增大時必然導(dǎo)致H的高估. 根據(jù)圖3e可看出,隨著vP的變化,地殼厚度H有明顯的變化,即地殼厚度H隨著vP的增大而增大,vP增大0.1 km/s,H的最大偏離值約為0.5 km; 而當(dāng)vP變化較小時,其對k的影響亦較小. 根據(jù)圖3f可看出隨著vP的增大k有減小的趨勢.

        第二組為雙層模型(模型2),計算得到的理論接收函數(shù)和H-k搜索結(jié)果分別如圖4a,b所示. 圖4c,d為改變vP輸入, 運用接收函數(shù)H-k方法搜索得到的結(jié)果.其中,圖4c為輸入vP值比預(yù)設(shè)vP值小0.3 km/s時H-k的搜索結(jié)果, 圖4d為輸入vP值比預(yù)設(shè)vP值大0.3 km/s時H-k的搜索結(jié)果. 圖4e,f分別表示地殼厚度H和波速比k隨vP的變化. 由圖4e,f可看出vP的變化同樣對H影響較大. 當(dāng)vP變化0.1 km/s時,H的最大偏離值約為1 km; 而當(dāng)vP變化較小時,其對k的影響不穩(wěn)定,總體上k隨vP的增大有減小的趨勢.

        第三組模型(模型3)為地殼中存在一低速梯度帶,運用該模型計算得到的理論接收函數(shù)和H-k搜索結(jié)果分別如圖5a,b所示. 圖5c,d為改變vP輸入,運用接收函數(shù)H-k搜索得到的結(jié)果. 其中, 圖5c為輸入vP值比預(yù)設(shè)vP值小0.3 km/s時H-k的搜索結(jié)果,圖5d為輸入vP值比預(yù)設(shè)vP值大0.3 km/s時H-k的搜索結(jié)果. 圖5e,f分別表示地殼厚度H和波速比k隨vP的變化. 由圖5e,f可看出vP的變化同樣對H影響較大. 當(dāng)vP變化0.1 km/s時,H的最大偏離值約為1 km; 而當(dāng)vP變化較小時,其對k的影響不穩(wěn)定,總體上k隨vP的增大有減小的趨勢.

        以上3組不同地殼模型的數(shù)值試驗結(jié)果都與公式推導(dǎo)結(jié)果基本一致,即vP的變化與H正相關(guān),與k負相關(guān).

        3 實際資料處理

        為進一步檢驗實際資料處理中vP對H-k結(jié)果的影響,我們以位于甘肅省境內(nèi)的天水臺資料為例,選用了天水臺2009—2010年震中距為30°—90°、 P波初動清晰、 信噪比較高的142條地震記錄,利用0.1—5 Hz的巴特沃斯帶通濾波器進行濾波. 采用時間域反褶積方法計算接收函數(shù)(Ligorría,Ammon, 1999),計算中取高斯因子為2.5的濾波器. 根據(jù)以上資料計算的接收函數(shù)如圖6a所示.

        圖3 單層模型數(shù)值試驗結(jié)果 (a) 理論接收函數(shù); (b)、 (c)和(d)分別表示vP為預(yù)設(shè)值、 小于預(yù)設(shè)值0.3 km/s和大于預(yù)設(shè)值0.3 km/s時H-k方法的搜索結(jié)果. 白色“+”為數(shù)據(jù)計算得到的結(jié)果,黑色圓點表示預(yù)設(shè)模型; (e)和(f)分別 表示數(shù)值模擬試驗中地殼厚度H和波速比k隨vP的變化

        圖4 雙層模型數(shù)值試驗結(jié)果 (a) 理論接收函數(shù); (b)、 (c)和(d)分別表示vP為預(yù)設(shè)值、 小于預(yù)設(shè)值0.3 km/s和大于預(yù)設(shè)值0.3 km/s時H-k方法的搜索結(jié)果. 白色“+”為數(shù)據(jù)計算得到的結(jié)果,黑色圓點表示預(yù)設(shè)模型; (e)和(f)分別 表示數(shù)值模擬試驗中地殼厚度H和波速比k隨vP的變化

        圖5 存在一低速梯度帶的雙層模型數(shù)值試驗結(jié)果 (a) 理論接收函數(shù); (b)、 (c)和(d)分別表示vP為預(yù)設(shè)值、 小于預(yù)設(shè)值0.3 km/s和大于預(yù)設(shè)值0.3 km/s時H-k方法的搜索結(jié)果. 白色“+”為數(shù)據(jù)計算得到的結(jié)果,黑色圓點表示預(yù)設(shè)模型; (e)和(f)分別 表示數(shù)值模擬試驗中地殼厚度H和波速比k隨vP的變化

        圖6 不同vP值對應(yīng)的天水臺實際資料處理結(jié)果 (a) 天水臺觀測接收函數(shù); (b),(c),(d)和(e)分別表示vP為6.10,6.20,6.31,6.38 km/s時H-k的搜索疊加結(jié)果

        參考IASP91模型地殼平均速度值vP=6.10 km/s, 運用H-k方法搜索得到地殼厚度為43 km, 波速比為1.75. 圖6b為根據(jù)該資料計算得到的H-k搜索結(jié)果.根據(jù)人工地震結(jié)果vP=6.20 km/s(李清河,1991)、 面波頻散曲線和接收函數(shù)聯(lián)合(Shenetal,2011)確定的vP=6.31 km/s以及區(qū)域地震波形反演結(jié)果vP=6.38 km/s(李少華等,2012),得到了H和k分別為44 km、 45 km、 45.5 km和1.75、 1.74、 1.74(圖6c, d, e).結(jié)果列于表1中.

        從表1可看出,對于不同的P波速度,H-k方法的搜索結(jié)果有很大差別. 根據(jù)文中所選4種模型的vP值可看出,當(dāng)vP偏離0.1 km/s時,H的最大偏離值為1 km,k的偏離值最大為0.1.vP的變化與H正相關(guān),與k負相關(guān). 該結(jié)果與數(shù)值試驗結(jié)果一致.

        表1 天水臺各模型的接收函數(shù)H-k方法搜索結(jié)果

        4 討論與結(jié)論

        本文通過理論計算和數(shù)值試驗,分析討論了vP對接收函數(shù)H-k搜索疊加結(jié)果的影響. 結(jié)果表明,P波速度的變化對接收函數(shù)H-k搜索結(jié)果中的地殼厚度H的影響比較大,而對波速比k的影響較小. 其中,vP的變化與H正相關(guān), 與k負相關(guān). 對比前兩組數(shù)值試驗可知,vP對H的影響與地殼結(jié)構(gòu)也有關(guān). 對于本文的模型1, 當(dāng)vP改變0.1 km/s時,H的最大偏離值約為0.5 km; 后兩組地殼模型中,當(dāng)vP改變0.1 km/s,H的最大偏離值約為1 km. 3組模型中波速比k對vP的變化均不敏感. 根據(jù)3組模型的對比可知(圖7),模型2和模型3中,vP對H和k的影響變化趨勢基本一致. 相對于模型1,模型2和模型3對于vP的變化表現(xiàn)得更為敏感,即vP對H的影響與地殼結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性也有關(guān)系,地殼結(jié)構(gòu)越復(fù)雜,vP的變化對H的影響越大. 特別是當(dāng)vP偏離超過5%時,所引起的地殼厚度H的變化會超過5 km,k的變化也可能超過0.01,會造成結(jié)果的不可靠,甚至錯誤.

        圖7 3種模型中vP及vP變化率對H-k結(jié)果的影響 (a) H與vP關(guān)系; (b) H變化率與vP變化率關(guān)系; (c) k值與vP關(guān)系; (d) k變化率與vP變化率關(guān)系

        天水臺實際資料處理結(jié)果也表明, 對于不同的P波速度,H-k方法的搜索結(jié)果也有很大差別. 文中所選的4種不同方法所確定的vP導(dǎo)致H與k最大的差別分別為2.5 km和0.1. 在研究區(qū)域或者局部速度結(jié)構(gòu)時,這種差別已經(jīng)不可忽視. 因此在運用H-k方法時,對vP的選擇要謹慎, 盡量多地收集研究區(qū)已有的vP結(jié)果, 盡可能選取人工地震結(jié)果或利用面波頻散結(jié)果進行約束,這樣可以保證結(jié)果的合理性. 此外,接收函數(shù)H-k方法主要是運用多次波信息對H和k進行約束,對于多次波不清晰的資料,H-k方法有很大局限性.

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        The effect of P wave velocity on theH-kstacking results of receiver functions

        1)LanzhouInstituteofSeismology,ChinaEarthquakeAdministration,Lanzhou730000,China2)LanzhouBaseofInstituteofEarthquakeScience,ChinaEarthquakeAdministration,Lanzhou730000,China

        This paper systematically investigates the effect of P wave velocity on theH-kstacking results of receiver functions by three aspects of theoretical analyses, numerical tests and observed data processing. The results show that the P wave velocity is positively correlated with crustal depthH, and negatively correlated with wave velocity ratiok. Moreover, the more complex the crust model is, the larger effect P wave velocity has onH.

        P wave velocity;H-kstacking; receiver function

        10.3969/j.issn.0253-3782.2014.03.013.

        中國地震局地震預(yù)測研究所基本科研業(yè)務(wù)專項(2011IESLZ05)和國家自然科學(xué)基金(41274093, 40904014)共同資助.

        2013-05-03收到初稿,2013-07-16決定采用修改稿.

        e-mail: shenxzh@gmail.com

        10.3969/j.issn.0253-3782.2014.03.013

        P315.3+1

        A

        李翠芹, 沈旭章, 秦滿忠. 2014. P波速度對接收函數(shù)H-k搜索疊加結(jié)果的影響分析. 地震學(xué)報, 36(3): 480--490.

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